【Linux】掌握库的艺术：我的动静态库封装之旅

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文章目录

  • 1.什么是库
    • 1.2 认识动静态库
      • 1.2.1 动态库
      • 1.2.2 静态库
  • 2.封装动静态库
    • 2.1 封装动态库
      • 2.1.1 组织头文件和库文件
      • 2.1.2 动态库的使用
    • 2.2 封装静态库
      • 2.2.1 使用静态库
  • 3. 动静态库小知识
    • 3.1 gcc对动静态的优先级
    • 3.2 动静态库的区别
  • 4.总结

1.什么是库

在计算机编程中，库（Library）是一个预先编写的代码集合，包含了可以被其他程序调用的函数、类、变量和资源。库的主要目的是为了简化编程过程，提供常用功能的实现，促进代码重用，从而减少开发时间和提高软件的可靠性。
在实践中，我们一定会使用到别人的库，如你在C语言时期一定会调用到c标准库。除了标准库，我们还可以使用第三方库，无论使用那种库都是为了节省我们的时间，不在需要我们自己来造“轮子”。
所有的库都可以从两个方面来认识：

  1. 创建者
  2. 使用者
    提问：使用者在使用库时，是否能知道该库的源代码呢？
    回答：在不逆向的情况下，使用者是无法得知库的源代码的，这也就牵扯到了，库的第二个属性隐藏源代码。
    我们都知道，形成可执行文件的步骤有4步：
  1. 预处理：头文件展开、去注释、宏替换、条件编译等，生成.i文件。
  2. 编译：语法分析、语义分析、符号汇总等，检查无误后将代码翻译成汇编指令，生成.s文件，
  3. 汇编：将汇编指令转化成二进制指令，生成.o文件。
  4. 链接：将生成的各个.o文件进行链接，生成可执行程序。

而库就是所有.o文件用特定的方式，进行打包，形成的一个文件。
注意库文件需要配合对应的头文件进行使用，头文件不必隐藏
当我们在main.c中使用对应的功能函数：
删除可执行文件
当有许多不同的源文件去调用这些功能函数时，那要的话，功能函数会被重复的进行预处理、编译、汇编的操作，各自生成.o文件，然后我们的源文件再和这些功能函数一起生成可执行文件。
如此操作会有许多重复的操作，我们完全可以提前让功能函数变成一个个.o文件，再去和源文件进行链接，但是我们还要考虑到，可能会存在非常多的.o文件，为了减轻我们的操作，我们可以对这些.o文件进行打包，这样的文件我们称为库。

如此一来，库的本质就是若干个目标文件的集合，每一个目标文件都包含了由源码编译生成的二进制代码，在保证使用的同时，还有很好的隐藏性

1.2 认识动静态库

动静态库是编程中常用的两种库类型，用于封装和重用代码。它们在链接、加载和使用方面存在显著的差异。

1.2.1 动态库

动态库（或共享库）是在运行时加载的库，通常以 .so（Linux）或 .dll（Windows）文件格式存在。动态库的代码不被复制到可执行文件中，而是在运行时由操作系统加载。
我们先来写一段简单的代码：

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("hello world!!!!\n");
    return 0;
}
//生成可执行文件mybin

编译成功后，我们使用ldd指令来查看其所链接的动态库
ldd语法：

ldd filename

功能：

用于打印程序或库文件所依赖的动态库（共享库）列表。ldd不是一个可执行程序，只是一个shell脚本。

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ ldd mybin 
	linux-vdso.so.1 (0x00007ffc9c4db000)
	libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fd8df175000)
	/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fd8df3ab000)

libc.so 就是该程序所依赖的动态库，那么我们一个如何识别一个动态库的名字呢？

去掉前缀lib，再去掉后缀.so就是库名了。

也就是说，这个动态库的名字就是c，没错这就是c运行库。

1.2.2 静态库

静态库是将一组对象文件（.o 文件）打包成一个库文件（通常为 .a 后缀），在编译时将其链接到最终生成的可执行文件中。链接过程是在编译阶段完成的，库的代码被复制到可执行文件中。
正常情况下，gcc默认都是连接的动态库，如果需要进行静态连接要特别指定。

gcc -o staticBin libTest.c -static

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ ls -l
total 904
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu     82 Oct 29 11:40 libTest.c
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu     74 Oct 29 11:41 makefile
-rwxrwxr-x 1 ubuntu ubuntu  15952 Oct 29 11:41 mybin
-rwxrwxr-x 1 ubuntu ubuntu 900344 Oct 29 14:49 staticBin

可以发现静态连接的可执行程序所占的空间大小远大于动态连接的。
使用ldd观察是否有依赖的库

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ ldd staticBin 
	not a dynamic executable

发现静态链接生成的可执行程序不依赖其他库文件。
使用file查看：

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ file staticBin 
staticBin: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (GNU/Linux), statically linked, BuildID[sha1]=d4a39b68ac04f9fd8b37bd8c17ce42a8b27ad8c2, for GNU/Linux 3.2.0, not stripped

发现是：statically linked
如果你是centos用户，可能会遇到静态库未安装的情况，只需要搜索一下安装方法即可。

2.封装动静态库

2.1 封装动态库

先写好需要封装的代码：
add.h：

#pragma once
int add(int a,int b);

sub.h：

#pragma once
int sub(int a,int b);

add.c：

#include "add.h"
int add(int a,int b)
{
    return a+b;
}

sub.c：

#include "sub.h"
int sub(int a,int b)
{
    return a-b;
}

dynLibTest.c：

#include <stdio.h>
#include "add.h"
#include "sub.h"

int main()
{
    int a = 100;
    int b = 200;
    printf("%d + %d = %d\n",a,b,add(a,b));
    printf("%d - %d = %d\n",a,b,sub(a,b));
    return 0;
}

然后我们还需要知道位置无关码的概念（Position-Independent Code，PIC）
位置无关码（Position-Independent Code，PIC）是一种编译代码的方式，使得生成的代码可以在内存的任意位置执行，而不需要修改代码中的地址。这种特性在动态链接库和共享库中非常重要，因为它们可以被多个进程共享，并在加载时被放置到不同的内存地址。
为了实现位置无关，编译器在生成代码时使用相对地址而不是绝对地址。例如，在访问全局变量时，编译器不会生成直接访问变量的绝对地址的代码，而是使用相对于当前指令位置的偏移量。这样，无论代码被加载到哪个地址，访问都可以通过相对计算来实现。
位置无关码是一种重要的编程技术，尤其在动态链接和共享库中具有广泛的应用。它提供了灵活性和内存使用效率，同时也增强了程序的安全性。
如果我要实现位置无关码可以在gcc后面加上-fPIC选项

gcc -fPIC -c add.c
gcc -fPIC -c sub.c

生成目标文件

我们也知道不加-fPIC一样可以生成.o文件。但是它们之间还是很有区别的。
位置无关码对于gcc：

  • fPIC作用于编译阶段，告诉编译器于位置无关的代码，此时产生的代码中没有绝对地址，全部都使用相对地址，从而代码可以被加载到内存的任意位置可以正确的执行。这正是共享库被加载时，在内存的位置不是不是固定的。
  • 如果不加-fPIC选项，则加载.so文件的代码时，代码段引用的数据对象需要重定位，这个重定位会修改代码段地内容，这就会造成每一个使用这个.so文件代码段的内核里都会生成这个.so文件代码的拷贝，并且每一个拷贝都不一样，这就是使得内存的消耗变大。
  • 为此我们总是会用-fPIC来生成.so文件，但是不会用点-fPIC来生成.a静态文件。我们当然可以不用-fPIC来生成.so文件，只是这样的话.so文件必须要在加载到用户的地址空间时重定向所有表目。
    使用-shard将文件打包为动态库
gcc -shared -o libmyc.so add.o sub.o

通过readelf -S 来查看库的信息，如偏移量offset。
查看库信息

2.1.1 组织头文件和库文件

为了方便我们后续的操作，我会写一个makefile来组织头文件和库文件。

.PHONY:all
all:libmyc.so

libmyc.so:add.o sub.o
	gcc -shared add.o sub.o -o libmyc.so
add.o:add.c
	gcc -fPIC -c add.c -o add.o
sub.o:sub.c
	gcc -fPIC -c sub.c -o sub.o
.PHONY:output
output:
	mkdir -p mylib/lib
	mkdir -p mylib/include
	cp -rf *.h mylib/include
	cp -rf *.so mylib/lib
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf *.o mylib *.a *.so output

makefile

2.1.2 动态库的使用

当我们把当前目录的头文件和目标文件删除后

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ rm -rf *.o *.h

此时如果我们直接使用gcc来编译会发生什么呢？
没错，肯定会报错说，找不到头文件啦。

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ gcc dynLibTest.c 
dynLibTest.c:2:10: fatal error: add.h: No such file or directory
    2 | #include "add.h"
      |          ^~~~~~~
compilation terminated.

为了让编译器能够找到我们的头文件，需要我们加上-I 头文件所在路径

gcc -I./mylib/include dynLibTest.c

现在的错误就是，找不到目标函数了，因为我们没有给编译器指明在哪里，它肯定就找不到了。

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ gcc -I./mylib/include dynLibTest.c
/usr/bin/ld: /tmp/ccOkC8RY.o: in function `main':
dynLibTest.c:(.text+0x25): undefined reference to `add'
/usr/bin/ld: dynLibTest.c:(.text+0x52): undefined reference to `sub'
collect2: error: ld returned 1 exit status

所有我们还需要加上`-L库文件所在路径 l库名

gcc -I./mylib/include -L./mylib/lib dynLibTest.c -lmyc
  1. ‘-I’：指定头文件搜索路径。
  2. —L：指定库文件搜索路径。
  3. -l：指明需要链接库文件路径下的哪一个库。

然后我们就可以得到一个可执行文件了，但是如果你去执行它就会发现，它居然不能执行！！！

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ ./a.out 
./a.out: error while loading shared libraries: libmyc.so: cannot open shared object file: No such file or directory

为什么会这样？
算了，先用ldd看看它依赖的动态库的吧。
ldd

居然没有连到，岂有此理，辛苦打了一连串指令竟然完全没作用。
其实不是这样啦，因为是动态库，在执行时我们仍然需要知道动态库的位置在哪。
对于动态库，编译时会搜索库的路径，运行时也会搜索库的路径。
为了解决这个问题，我们有4种解决方案：

  1. 直接将库进行安装（拷贝）到系统库当中。（最傻瓜操作）
  2. 将不在系统默认库搜索路径下的库路径，添加到LD_LIBRARY_PATH
    3.使用idconfig指令。

拷贝到系统目录

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ sudo cp mylib/lib/libmyc.so /lib/x86_64-linux-gnu/
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ ldd a.out 
	linux-vdso.so.1 (0x00007fffc4f54000)
	libmyc.so => /lib/x86_64-linux-gnu/libmyc.so (0x00007f35c8f9c000)
	libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f35c8d73000)
	/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f35c8fae000)

这样虽然简单，但是由于我们自己书写的库，大概率是不成熟的，这样会污染系统库目录。

更改环境变量

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:home/ubuntu/libraryTest/mylib/lib

ldd查看：

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:home/ubuntu/libraryTest/mylib/lib
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ ldd a.out
	linux-vdso.so.1 (0x00007fff8fdee000)
	libmyc.so (0x00007f85aaf99000)
	libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f85aad6a000)
	/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f85aafa5000)

该方法为临时方法，在系统重新登入时就失效了。
使用Idconfig指令
/etc/ld.so.conf.d/目录下的文件用来指定动态库搜索路径。这些文件被包含在/etc/ld.so.conf文件中，ldconfig命令会在默认搜寻目录(/lib和/usr/lib)以及动态库配置文件/etc/ld.so.conf内所列的目录下，搜索可共享的动态链接库，并创建出动态装入程序(ld.so)所需的连接和缓存文件。
.conf文件用来存储各种文件的路径，我们只要把我们自己写的第三方库的路径存放进去，程序运行时就会去里面找了。

echo /home/ubuntu/libraryTest/mylib/lib > libmyc.conf

然后我们需要将，.conf文件拷贝到/etc/ld.so.conf.d/下。
ldconfig

sudo cp libmyc.conf /etc/ld.so.conf.d/

此时如果我们直接ldd是无法找到的，我们来需要更新一下。

sudo ldconfig

然后就可以了
在这里插入图片描述
那么动态库就先到这里，下面我们开始静态库的讲解。

2.2 封装静态库

静态库的操作会比动态库的更为简单。
代码的话，依然是上面的那些代码。

add.c sub.c add.h sub.h staLibTest.c

staLibTest.c里面的代码和dynLibTest.c
首先我们需要把所有的.c源文件都编译为目标文件。（此时不在需要位置无关码）

gcc -c add.c
gcc -c sub.c

我们可以直接将主程序和这些.o文件进行编译。

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ gcc -o staticBin staLibTest.c add.o sub.o
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ ./staticBin 
100 + 200 = 300
100 - 200 = -100

正常编译，不过目标文件少的情况下还好，如果有很多的目标文件，我们就有点吃力了。为此我们可以打一个包。
使用ar指令将目标文件打包为静态库：

ar 指令是一个用于创建、修改和管理静态库文件的命令行工具，广泛应用于 Unix 和类 Unix 系统（如 Linux）。静态库通常以 .a 后缀表示，ar 允许开发者将多个目标文件（.o 文件）打包成一个单一的库文件，便于代码重用和管理。

语法：

ar [选项] [库名] [依赖文件]

主要功能：

  • r：插入文件。如果目标文件已经存在，则替换它。
  • c：创建一个新的库，如果库文件不存在。
  • s：创建索引，以加快链接过程。
  • t：列出库中包含的文件。
  • x：从库中提取指定的文件。
  • d：从库中删除指定的文件。
  • v：查看库的信息
    举例：将add.o和sub.o打包为静态库
ar -rc libmyc.a add.o sub.o

利用-t -v选项来查看静态库的文件以及信息。

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ ar -tv libmyc.a
rw-r--r-- 0/0   1224 Jan  1 08:00 1970 add.o
rw-r--r-- 0/0   1224 Jan  1 08:00 1970 sub.o

和动态库时一样，我们现在利用makefile来完成这些操作

libmyc.a:add.o sub.o
	ar -rc libmyc.a add.o sub.o
add.o:add.c
	gcc -o add.o -c add.c
sub.o:sub.c
	gcc -o sub.o -c sub.c

.PHONY:output
output:
	mkdir -p mylibs/lib
	mkdir -p mylibs/include
	cp -rf *.h mylibs/include
	cp -rf *.a mylibs/lib
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf *.o mylibs libmyc.a

makefile

2.2.1 使用静态库

  1. ‘-I’：指定头文件搜索路径。
  2. —L：指定库文件搜索路径。
  3. -l：指明需要链接库文件路径下的哪一个库。

在动态库的篇章中，我们就已经了解了指定库的路径了。
在静态库也同理。

gcc staLibTest.c -I./mybins/include -L./mylibs/lib -lmyc

编译完后就可以直接运行了。

ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ gcc staLibTest.c -I./mybins/include -L./mylibs/lib -lmyc -o testbin -static
ubuntu@VM-20-9-ubuntu:~/libraryTest$ ./testbin 
100 + 200 = 300
100 - 200 = -100

同样的，如果你觉得没错都显示指定库连接很麻烦，可以把目标文件拷贝到系统库当中。

3. 动静态库小知识

3.1 gcc对动静态的优先级

如果我们同时提供动态库和静态库，gcc会默认使用动态库。如果我们非要静态链接，必须使用static指定。如果我们只提供静态库，那我们的程序只能对该库进行静态链接，但是程序不一定整体是静态链接的。如果我们只提供动态库，默认只能动态连接，非要静态链接的话会报错。

3.2 动静态库的区别

特性静态库动态库
文件后缀.a.so (Linux), .dll (Windows)
链接方式编译时链接运行时链接
可执行文件大小较大（包含所有库代码）较小（只包含引用）
外部依赖无需要在运行时提供
更新方式需要重新编译所有依赖的程序只需替换库文件
性能加载速度快加载速度相对较慢
共享性不支持多个进程共享支持多个进程共享

4.总结

动静态库各有优缺点，选择使用哪种库通常取决于具体的项目需求、资源限制和开发环境。静态库适用于对依赖性和更新不敏感的应用，而动态库则更灵活，适合需要频繁更新和共享代码的场景。在实际开发中，合理选择和使用这两种库能够提高代码的复用性和维护性。

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